港中文团队发Nature Reviews：结直肠癌中的肠道菌群（从机制到临床）

Original Nexbrio 知几未来研究院 2022-01-16

导读

近日，香港中文大学黄曦、于君教授于《Nature Reviews》发表综述文章，总结了目前在结直肠癌（CRC）领域中相关的肠道菌群研究进展。

这篇文章涵盖的内容包括：

微生物的致癌机制；利用肠道菌群（尤其是具核梭杆菌Fusobacterium nucleatum）作为CRC生物标志物的潜力；以及利用肠道菌群防治CRC的前景。

本综述特别强调了那些可能未来将在临床上应用的、与临床转化相关的机制研究。

作者黄曦（左）和于君（右）教授，图源：香港中文大学

研究名称：Gut microbiota in colorectal cancer: mechanisms of action and clinical applications

期刊：Nature reviews Gastroenterology & Hepatology

发表时间：2019年9月25日

IF：23.57

DOI:10.1038/s41575-019-0209-8

微生物对于结直肠癌（CRC）研究之所以重要，部分要归功于CRC作为一种“懒癌”的特殊性。

CRC是中国五大癌之一，进展相对缓慢，且在早期往往没有症状。据国际权威刊物《CA》，CRC是去年全球发病率第三（180万例新增）、死亡率第二（860000例死亡）的癌症。

但是，CRC可通过肠镜筛查在早期发现。如果患者在早期就得到治疗，预后可以相当好。有统计显示，局部CRC的5年生存率为90%，但已向远端器官转移CRC的生存率则骤降至14%。

结直肠癌（CRC）与其他癌症一样，是多因素导致的，但它是一种环境因素大过遗传等其他因素的疾病。肿瘤环境中的集体微生物群落作为致病环境因素之一，近年来已吸引了指数级增加的研究，包括直肠、肝脏、胆道甚至是乳腺癌领域。

结直肠约含有约3×10^13的细菌，它们与大量的微生物相互作用，肠道上皮细胞与这些微生物有着恒定的串扰。这些微生物在胃肠生理（如能量收集、免疫成熟）中扮演关键角色，它们的相对丰度变化可以改变生理平衡，导致肠内外疾病。

在与CRC强相关的微生物中，是否有一些可作为无创诊断标志物、癌症治疗预后标志物，甚至是临床干预的靶标呢？我们从关联肠菌、致癌机制、生物标志物应用、干预方法这几个方面，对本篇综述做要点提炼。

CRC关联肠菌扫描：7种核心特征微生物群

研究人员已针对粪便、黏膜样本，做了大量人类鸟枪或16S测序研究，这些研究总体显示：与健康个体相比，CRC患者的微生物群呈现出整体成分移位（通常称为“菌群失衡”）。

港中文团队对526个粪便鸟枪基因组数据集进行了荟萃分析，确定了在CRC患者中7种显著富集的核心特征菌群。虽然肠道微生物群受地理因素影响较大，但一些荟萃分析表明，多个CRC相关细菌，在不同地域人群中都存在。

该核心菌群包括：

脆弱拟杆菌B. fragilis，一种具有与CRC相关产肠毒素能力的细菌；
四种口服细菌，F. nucleatum, Parvimonas micra, Porphyromonas asaccharolytica , Prevotella intermedia；
以及另外两种细菌，Alistipes finegoldii , Thermanarovibrio acidaminovorans。

这些富集细菌与CRC缺失细菌的共生网络呈负相关，CRC缺失细菌包括一些已开发为益生菌的物种，如：产丁酸盐的丁酸梭菌Clostridium butyicum，乳酸菌嗜热链球菌Streptococcus thermophilus（用于预防婴儿抗生素相关性腹泻），这两种益生菌值得单独研究在CRC中是否具有潜在益处。

随着荟萃分析研究数量的增加，上述这份名单仍在持续扩大中。

另一方面，作者强调了跨界微生物的相互作用，比如病毒和真菌。少数研究同样报告了真菌群落的变化，比如CRC菌群中马拉色菌Malassezia的增加——而细菌和病毒之间的跨界串扰可能在CRC中起重要作用。

CRC的癌前病变：结直肠腺瘤肠道菌群

结直肠腺瘤是重要的CRC癌前病变提示，所以也是CRC筛查的主要目标。

2019年发表的一项研究，针对616名接受结肠镜检查和微生物群转移的参与者的粪便样本分析表明：一些细菌物种在整个癌变期间，其丰度呈逐渐增加的趋势，如F. nucleatum 和Solobacterium moorei菌；然而，另一些物种仅在癌变早期（在多发性腺瘤或粘膜内癌患者中）大量升高，如Atopobium parvulum 和 Actinomyces odontolyticus菌。

此外，在一项研究中，对不同大小和阶段的大肠腺瘤个体的真菌群进行了调查，发现一些真菌门（如Basidiomycota）的丰度也发生了明显的变化。

这些丰富微生物的变化使它们有可能成为早期腺瘤病变的生物标记物，而目前基于大便的隐血试验还不能满足这一临床需要。

肠道微生物的致癌机制

CRC的发生是一个复杂过程，在与肠道微生物群相关的机制，主要包括炎症、免疫调节、膳食成分代谢和基因毒素。

肠道菌群可以通过多种机制影响CRC的发生。

这些机制成分有可能被调节用于治疗或预防CRC的目的：BFT、脆弱拟杆菌Bacteroides fragilis菌素、CAM、细胞黏附分子、FadA、梭杆菌Fusobacterium粘附素A、干扰素、脂多糖、MAMP、微生物相关分子模式、NF-κB、PRR、STAT3、信号转导子和转录激活子3；TLR4。

炎症与免疫调节

慢性炎症是CRC的一个特征和既定危险因素。研究显示，将CRC患者的粪便灌胃给致癌物喂养的无菌小鼠，可导致组织炎症和炎症基因标记物的表达增加。

举例来说，CRC患者中富集的菌：

F. nucleatum菌可激活核因子κb通路，促进肿瘤中髓细胞浸润，在ApcMin小鼠（常见CRC模型）中产生有利于CRC进展的促炎环境；
产肠毒素B. fragilis，可通过其毒性因子B. fragilis 毒素在结肠上皮细胞中触发炎症级联反应，影响IL-17、信号转导和转录激活因子3及核因子κb信号。这些信号通路反过来诱导ApcMin小鼠的CXC趋化因子，召唤多形核未成熟髓细胞，特别是在远端结肠创造一个促炎环境。

模式识别受体（PRRs）是肠道微生物群和宿主免疫系统之间的一个感应器。在识别微生物抗原时，PRRs通过信号分子的下游级联激活肠道免疫系统，一些PRRs在动物模型中与结肠炎相关的致癌作用有关。

膳食成分代谢

最近的一项人口研究估计，约38.3%的早期CRC病例与饮食不良有关，包括吃太少全谷类食物、乳制品，摄入太多红肉及加工肉类，还有研究报告了一些有毒化学物质。

与肠道菌群密切相关的一类主要代谢物是短链脂肪酸（SCFAs，如丁酸盐和丙酸盐），低SCFAs水平与高CRC风险有关。丁酸盐作为一种抗炎分子，可抑制结肠上皮细胞和免疫细胞中的组蛋白脱乙酰酶，下调促炎细胞因子，诱导CRC细胞凋亡。此外，丁酸盐和丙酸盐已被证明可以调节结肠调节性T细胞，从而在动物模型中发挥有效的抗炎作用。

同样密切相关的代谢产物还有胆汁酸。高脂人群摄入过多次级胆汁酸，与CRC风险升高有关。此外，脱氧胆酸已被证明在体外诱导氧化DNA损伤，并促进体内肿瘤形成。

基因毒素

另一种与微生物有关的致癌机制是产生具有DNA损伤（基因毒性）效应的毒素。

细胞致死性膨胀毒素（CDT）和大肠杆菌素（colibacatin）是两种典型的细菌基因毒素。

CDT由大肠杆菌Escherichia 和弯曲杆菌Campylobacter spp.等肠道病原体产生，通过其脱氧核糖核酸酶活性诱导DNA双链断裂而致癌。

大肠杆菌素由肠杆菌科Enterobacteriaceae成员产生，也能诱导DNA链断裂。

此外，B. fragilis菌毒素和E. faecalis菌产生的活性氧化物，都与体外DNA损伤和基因组不稳定性有关。

这些毒素的灭活可能对CRC有治疗或预防作用，因为针对大肠杆菌素生产的小分子抑制剂已被证明可以减轻小鼠模型中的肿瘤负担。

将微生物用作生物标志物

F.nucleatum：粪便检测CRC和腺瘤

生物标志物是疾病是否存在或严重程度的指示器。目前临床上对CRC和晚期腺瘤的高灵敏度、高可靠性和无创筛查的需求很高。但现行的粪便免疫化学试验（FIT）和多靶点粪便DNA检测，都不能同时对CRC和晚期腺瘤表现出高敏感性。

在过往CRC相关宏基因组数据集提出的几种候选细菌中，核梭杆菌F. nucleatum不管是单独还是与其他几种细菌合用，都是一种关键的标志物。联合F. nucleatum粪便丰度检测的FIT，可比单独使用FIT筛查CRC具有更高的灵敏度和特异性。

粪便中F. nucleatum的定量也已被证明可区分结肠腺瘤与健康个体对照，多个研究也观察到F. nucleatum在结直肠腺瘤患者中更丰富。

F.nucleatum：预测癌症预后的标志物

一些流行病学分子研究表明，通过定量PCR，组织中F. nucleatum的肿瘤数量与CRC生存率存在反比关系。与F. nucleatum阴性病例相比，低F. nucleatum感染者的CRC特异性死亡率为1.25，高F. nucleatum为1.58。

这一发现突出了在肿瘤组织中定量F. nucleatum作为预后标志物的潜力。更重要的是，提供了根除细菌可以改善进展和疾病存活的希望。

其他微生物相关生物标志物

一些研究者也报告了CRC与口腔微生物群之间的关联，如链球菌Streptococcus和普雷沃菌属Prevotella spp.，这些研究提高了利用口腔细菌预测CRC的可能性。

也有多个研究报告了特定微生物的菌血症与随后的CRC诊断有关，检测这些特定细菌或血液中的免疫反应可为检测CRC提供提示。CRC和S. gallolyticus之间的紧密联系，推动了一种多重血清学试验的发展，因为血液阳性反应与十年后的CRC诊断相关。此外，对F. nucleatum血清抗体的分析也可能是潜在的检测CRC的生物标志物。

此外，一些微生物代谢产物与CRC相关。一些研究已经发现了粪便提取物中的SCFA和胆汁酸的水平差异：与健康对照组相比，CRC患者具有较高水平的醋酸和较低水平的丁酸和熊去氧胆酸。这些代谢物也有望成为CRC筛查的“指纹”。

与CRC肠菌群相关的潜在临床应用

肠道菌群在CRC治疗中的应用

越来越多的证据表明，肠道微生物介导了化疗和免疫治疗的疗效和毒性。这使得肠道微生物群被用作生物标志物来预测治疗效果或不良反应，同时，科学家们也在尝试通过调整肠道菌群以改善癌症治疗和患者预后。

肠道微生物介导化疗药物的抗癌效果

新的证据表明，肠道微生物可以通过微生物易位、免疫调节、代谢、酶降解和减少的生态多样性等机制，介导一些化疗药物的抗癌作用，包括5-氟尿嘧啶、环磷酰胺、吉西他滨和奥沙利铂。

使用抗生素或是无菌小鼠，常常对化疗药物反应不佳。有报告显示，肠道菌中的F. nucleatum可以激活自噬，以对抗奥沙利铂和5-氟尿嘧啶的耐药性。分析和靶向F. nucleatum，也许是一种提高预后的新策略。

在免疫疗法中预测患者应答水平

肠道菌群是免疫治疗中有效免疫应答所必需的，并且可以影响针对程序性细胞死亡1（PD-1）的免疫检查点抑制剂-程序化细胞死亡1配体1（PD-L1）轴和细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4（CTLA-4）轴。

一些与免疫治疗反应呈正相关的特异性细菌包括：

Akkermansia muciniphila , B. fragilis, Bifidobacterium spp., Eubacterium limosum, Faecalibacterium spp., Alistipes shahii.

一项研究曾观察到，在免疫治疗中应答较好的患者富集A. muciniphila 和 Ruminococcus champanellensis菌。这一发现导致了检测这些核心细菌作为免疫治疗反应的预测生物标志物的可能性。

此外，肠道微生物群可能与免疫治疗的副作用有关，如免疫检查点抑制剂相关性结肠炎。过往的研究发现，增加的拟杆菌门Bacteroidetes丰度，与抗免疫检查点抑制剂相关的结肠炎相关。

其他与微生物相关的新方法

1）微生物制剂

使用抗生素抑制癌症相关的细菌（如小鼠实验显示，在Fusobacterium菌阳性的异种移植物内，甲硝唑可以缩小肿瘤体积）；
补充药物以增强癌症治疗（如Bifidobacteria spp., A. muciniphila , Bacteroides spp. 可以改善抗肿瘤T细胞反应）；
使用小分子抑制剂减少治疗不良反应（如靶向细菌β-葡萄糖醛酸酶以减少伊立替康引起的毒性）；
预防癌症（如靶向细菌ClbP酶减少大肠杆菌素）

2）FMT。两个人类病例已报告成功使用FMT治疗难治性免疫治疗相关性结肠炎。患者与结肠炎完全缓解相关的肠道微生物变化，在一剂量后持续了53天，二剂量后持续了78天。

3）能改变肠道微生物群（益生元）或微生物代谢物的食物化合物。

4）其他新方法还包括肠道菌群的生物工程、工程益生菌的合成和递送，以及用于改变肠道菌群的细菌素或噬菌体。

结语

大规模流行病学研究已经确定了CRC中的几个危险因素，包括饮食模式、肥胖和其他生活方式因素。美国的两项研究估计，一半以上的严重CRC可通过改变这些因素的生活方式来预防。

如果我们着眼于肠道菌群的调整预防CRC，有效的方法可能包括：

1）膳食干预

高纤低脂食物可以改变肠道微生物群，减少结肠组织中的炎症和细胞增殖标志物。膳食纤维（包括果糖和半乳糖寡糖）干预改变肠道微生物群组成，以增加双歧杆菌Bifidobacterium和乳酸杆菌属Lactobacillus spp.的丰度，并通过微生物发酵增加人类粪便中丁酸盐浓度；
降低或拒绝红肉和加工肉类摄入。

2）减重

肥胖是结直肠癌的既定危险因素。流行病学数据显示肥胖与CRC风险之间存在明显正相关，BMI高于27 kg/m2的人群具有更高的风险。

3）益生菌

包括双歧杆菌和乳酸杆菌在内的几种细菌，通过抑制细胞增殖、诱导癌细胞凋亡、调节宿主免疫、灭活致癌毒素和产生抗癌化合物等机制在临床前研究中显示出抗癌特性。

很少有临床试验评估益生菌对人类CRC的疗效。口服干酪乳杆菌Lactobacillus casei降低了中/高级别增生性肿瘤的发生率，但对已接受切除手术患者的肿瘤总数没有影响。

此外，由益生元菊粉和益生菌鼠李糖乳杆菌GG Lactobacillus rhamnosus GG、和乳酸双歧杆菌Bb12 Bifidobacterium lactis Bb12组成的合生元干预，诱导了粪便微生物群的变化（乳酸杆菌和双歧杆菌增加，产气荚膜梭菌减少）。有结肠息肉病史的患者细胞增殖减少，上皮屏障功能改善。

然而，在20人志愿者中，包括抗性淀粉和B. lactis菌的后续合生干预，未能再现细胞增殖或其他生理标记物的变化。

尽管有体内外的实验数据，但支持使用益生菌预防大肠癌的直接证据还是初步的，仍有待更多临床验证。

总的来说，这篇荟萃分析汇总了全球各个不同人群数据，还原了与结直肠癌相关的微生物景观和研究进展。

这些数据为向临床推进微生物的发现，提供了一个前所未有的机会。随着CRC基因组学、代谢组学和免疫学的突破，微生物群的研究将在不久的将来使我们进入肿瘤学的新领域。

封面图源 CC0 Public Domain

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